إطلاق العنان لإمكانيات الحوسبة الكمية: منظور الذرات المحايدة

يتم تحديد مستقبل الحوسبة الكمومية من قبل عدد قليل من الشركات ، لكل منها نهجها الخاص في إنشاء والتحكم في الكيوبتات التي تستند إلى ظواهر مختلفة في الفيزياء.

خذ Google و IBM على سبيل المثال. إنهم يركزون على فائقة التوصيل جنبًا إلى جنب مع الشركات الناشئة الكمومية IQM و Oxford Quantum Circuits و SeeQC. الفخاخ الأيونية يتم ريادتها بواسطة Quantinuum و IonQ و Oxford Ionics ، بينما تقوم Quantum Brilliance و SaxonQ و XeedQ بتطوير مراكز NV بالماس.

في أماكن أخرى ، تتصدر شركات Intel و QuTech و Diraq و Quantum Motion و Siquance زمام الأمور تدور السيليكون التكنولوجيا. الضوئية يتم متابعة الحوسبة الكمومية بواسطة Psi Quantum و Xanadu أو Quandela.

اتجاه آخر ذرات محايدة، التي تحسب Quera و Atom Computing و Cold Quanta و Planqc و Pasqal التي فاز أحد مؤسسيها مؤخرًا بجائزة نوبل للفيزياء.

هذه المنصات الست لها مزاياها ووعودها وتحدياتها ، ولجعلها أكثر تعقيدًا ، هناك عشرات المقاربات الأخرى للحوسبة الكمية التي يتبعها العلماء في الأوساط الأكاديمية.

في Runa Capital ، كنا نتتبع الفضاء الكمومي لبضع سنوات ، وكان رهاننا الأول على الحوسبة الكمومية على Pasqal.

عندما شاركنا في الجولة الأولى من سلسلة باسكال في أوائل عام 2021 ، لم يكن لدينا فكرة تذكر أن المؤسس المشارك آلان أسبكت سيحصل على جائزة نوبل في الفيزياء بعد 18 شهرًا فقط.

بحث البروفيسور الدكتور آسبكت الحائز على جائزة مع جون كلاوزر وأنطون زيلنجر "تجارب مع الفوتونات المتشابكة ، مما يثبت انتهاك عدم المساواة عند بيل ورائد علم المعلومات الكمومية".

تؤكد جائزة نوبل على التسارع الهائل الذي تتمتع به الحوسبة الكمومية في السنوات الأخيرة. ومع ذلك ، لا تزال هناك العديد من التحديات على الطريق نحو تطوير وتسويق جهاز كمبيوتر كمي عالمي.

كمبيوتر الكم العالمي.

تفترض غالبية الخوارزميات التي ألهمت صناعة الحوسبة الكمومية أن هناك بيئة من الكيوبتات المثالية بدقة 100٪ أو مقاومة للأخطاء. تتكون هذه الخوارزميات من سلسلة من البوابات المنطقية الكمومية التي تعمل على كيوبتات ، وهي دائرة كمومية أساسية تعمل على عدد صغير من الكيوبتات. من الناحية النظرية ، فإن بوابات واحدة واثنين كيوبت هي كل ما هو مطلوب لمجموعة بوابة عالمية (اقرأ: بناء كمبيوتر كمي عالمي).

هذا الافتراض للكيوبت الكمي المثالي لا ينطبق على كيوبت فيزيائي. في الواقع ، تتفاعل Qubits مع البيئة ، ونتيجة لذلك ، فهي ليست مثالية أبدًا ، لذا فإن هذه الخوارزميات الملهمة ببساطة لا تعمل على بنية اليوم. إن الوضع الحالي هو السبب في أن الحوسبة الكمومية غالبًا ما يشار إليها باسم العصر الكمي الصاخب ذي النطاق المتوسط ​​(NISQ).

تم تكريس ألمع العقول بيننا لتحسين الكيوبتات من خلال إجراءات تُعرف باسم تصحيح الخطأ الكمومي. وهذا يسمح بما يسمى كيوبت منطقيًا مصححًا للأخطاء ، كما أن عمليات إعادة المعايرة هذه شائعة في العلم.

من حيث المبدأ ، من الممكن وجود كيوبت منطقي مثالي ، وإن كان مصححًا للخطأ ، ولكنه يتطلب قدرًا هائلاً من الموارد. يتطلب الكيوبت المنطقي الواحد عادةً زيادة مقدارها 100 إلى 1,000 كيوبت فيزيائي ويجب أن يكون لهذه الكيوبتات معدل خطأ أدناه شنومك٪ لجعل القمع المتسارع للأخطاء ممكنًا. هذه نسبة دقة تزيد عن 99.7٪.

يعد الافتقار إلى الكمال المطلق والحجم أحد تحديات أجهزة الكمبيوتر الكمومية العالمية ، وبالتالي فقد حفز الابتكار في منطقة مختلفة من الفضاء.

الحوسبة الرقمية مقابل المحاكاة التناظرية

لدى Qubits حاليًا قيودًا لأنها ليست مثالية وعددها محدود. إذن ، هل يمكن أن تكون هذه الآلات الكمومية مفيدة حقًا؟

كالعادة الجواب نعم

يسمح التحكم التناظري بتحسين الأجهزة بشكل أفضل ، مما يساعد في حل مشكلات معينة. نحن على دراية بالحسابات التناظرية لأنها كانت الشكل السائد للحوسبة الكلاسيكية عالية الأداء منذ السبعينيات.

تاريخيا ، تم إنتاج المحاكاة الكمومية في الوضع التناظري. إنه استخدام معالج كمي لمحاكاة نظام كمي مهم ، كما هو الحال في علوم المواد أو الكيمياء. التحكم التناظري هو طريقة الحساب من خلال البرمجة الديناميكية للهاميلتوني للنظام (وظيفة تستخدم لتحديد تطوره الزمني).

تقوم الذرات المحايدة بشكل طبيعي بتنفيذ بعض حالات هاميلتونيين متعددي الأجسام. ولكن كان هناك أيضًا جهد كبير لتوسيع القدرات لمحاكاة هاملتونيين بما يتجاوز تلك التي يتم تنفيذها بشكل طبيعي ، على سبيل المثال من خلال استخدام محرك ميكروويف دوري.

من المثير للاهتمام مع الحساب التناظري ، أننا لا نفكك مشكلة حسابية إلى بوابات. نحن نبني نظامًا كموميًا صناعيًا به ذرات يتم التحكم فيها بشكل فردي وتشبه المشكلة المطروحة.

يمكن تطبيق هذا النهج على المجالات التالية:

1. محاكاة تأثيرات الكم في الجزيئات والمواد والفيزياء النووية. هذه الأنظمة هي أنظمة كمومية بطبيعتها ، وأجهزة الكمبيوتر الكمومية هي في جوهرها مناسبة بشكل أفضل لمحاكاتها مقارنةً بالأنظمة الكلاسيكية.
2. حل مشاكل التحسين الاندماجي بشكل أسرع وأكثر كفاءة من الأساليب التقليدية. من الأمثلة على ذلك ملف الحد الأقصى للمجموعة المستقلة ، أو مشكلة MIS. هذا هو المكان الذي توجد فيه مشكلة إيجاد أقصى مجموعة من الرؤوس على رسم بياني غير متصل مباشرة بحافة. من الأمثلة الواقعية العثور على مجموعة من محطات القاعدة المتنقلة التي يمكن أن تعمل على نفس تردد الراديو ولا تتداخل مع بعضها البعض.
3. تطبيقات التعلم الآلي ، مثل تعلم الآلة على الرسوم البيانية، وهي مشكلة صعبة لأجهزة الكمبيوتر الكلاسيكية بسبب متطلبات الذاكرة العالية.

هذه ليست سوى عدد قليل من الاستخدامات من مجموعة من التطبيقات الممكنة التي يمكن استكشافها باستخدام على سبيل المثال مصدر مفتوح من Pasqal النبض مكتبة أو علامتها التجارية الجديدة واجهة مستخدم رسومية لـ NoCode.

فلماذا الذرات المحايدة؟

النهج التناظري هو في الأساس ثمرة معلقة لأجهزة الكمبيوتر الكمومية وهو الأنسب للذرات المحايدة بالنظر إلى مزيج من الدقة والحجم والاتصال الذي توضحه هذه المنصة.

1. يمكن القول إن الإخلاص هو أهم معلمة للكيوبتات. كانت المنصات فائقة التوصيل والمصائد الأيونية أول من وصل إلى 99.9٪ من مستويات الدقة وهذا هو السبب في أنه كان هناك الكثير من الاهتمام بهاتين المنصتين تاريخياً. ومع ذلك ، فإن الذرات المحايدة ، وهي الوافدون الجدد مع سنوات بحث وتمويل أقل بكثير ، تُظهر بالفعل دقة تصل إلى 99.1٪. يمكنك فهم المزيد من هذا كالالتكنولوجيا تقرير.
2. يتم تحديد المقياس الذي يمكن أن تحققه المعالجات الكمومية إلى حد كبير من خلال وقت التماسك للكيوبتات الخاصة بها. الفريق في Universite Paris-Saclay خلف Pasqal لديه تفصيلكليا دتظاهر أن عمر ذرة 87Rb المحاصرة يمكن أن يصل إلى 100 دقيقة. كما أظهر التجميع الفعال لمصفوفات كيوبت حتى 324 ذرة ، والتي تجاوزت الرقم القياسي السابق البالغ 256 كيوبت. يفتح هذا الطريق أمام حواسيب ذرات محايدة تجمع بين آلاف الكيوبتات.
   
3. يعد الاتصال عقبة مهمة أخرى يجب التغلب عليها عند بناء أجهزة كمبيوتر كمومية قوية: الاتصال بين الكيوبتات. ما زلنا نعمل مع كيوبتات صاخبة ، لذا فإن نقل الحالة الكمية بين المواقع البعيدة على دائرة كمومية يضيف إلى تراكم الأخطاء ، وبالنسبة لمعظم الأنظمة الأساسية التي قمنا بتغطيتها ، يقتصر الاتصال على أقرب الجيران. ومع ذلك ، فإن نهج مصيدة الأيونات والذرة المحايدة لهما ميزة عندما يتعلق الأمر بالاتصال. على وجه الخصوص ، يمكن أن يتحمس المحايد إلى ما يسمى بحالة Rydberg ويتفاعل داخل نصف قطر Rydberg. في الممارسة العملية ، هذا يصل إلى بضع عشرات من الكيوبتات المتفاعلة. تظاهر نقل متماسك لمصفوفات كيوبت مع الحفاظ على حالاتها الكمومية. يفتح هذا بشكل أساسي الطريق نحو الاتصال الشامل للكيوبتات على منصة الذرات المحايدة.
4. بالإضافة إلى ذلك ، فإن منصة الذرات المحايدة Rydberg قادرة على تشكيل حالات غير تقليدية من الأجسام المتعددة الكم ، مثل النطاق الطوبولوجي المحمي من التماثل  or كود السطح الطوبولوجي أو رمز توريك.

تصحيح الخطأ الكمي باستخدام الذرات المحايدة

قد تكون خاصية الملاحظة الأخيرة لذرات Rydberg لتشكيل حالات طوبولوجية محمية بالتناظر علامة فارقة في الوصول إلى تصحيح الخطأ الكمي ، أو QEC.

في الواقع ، قام الباحثون في جامعة هارفارد بذلك وذكرت كود Steane ذو 7 كيلوبت ، ورمز سطح طوبولوجي من 19 كيلوبت وحالات عنقودية للشفرة الحيدية 24 كيلوبت. تشير الدقة المقاسة لحالات الكتلة هذه إلى أن المصدر الرئيسي لأخطائها يقع في بوابات تشيكوسلوفاكيا الأساسية المكونة من 97.5 كيوبت والتي تعمل حاليًا بدقة تبلغ حوالي XNUMX ٪.

لقد توقعوا أنه مع زيادة 10 مرات أخرى في شدة ليزر 1,013 نانومتر ، يمكن تبريد الذرات بالليزر بدرجة حرارة 2 يو ك ، مما يحسن دقة بوابة تشيكوسلوفاكيا إلى 99.7 ٪ ، أي ما وراء رمز السطح عتبة.

وهذا من شأنه أن يسمح بقمع الأخطاء الأسية وإدراك الكيوبتات المنطقية المصححة للأخطاء باستخدام منصة الذرات المحايدة وفتح عصر الحوسبة الكمومية بعد NISQ.

ترقبوا!

*****

ديمتري جالبرين هو الشريك العام ، رونا كابيتال

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://www.insidequantumtechnology.com/news-archive/unlocking-the-potential-of-quantum-computing-the-neutral-atoms-perspective/